Structure-Activity Relationship of Atomic-Scale Cobalt-Based N-C Catalysts in the Oxygen Evolution Reaction

Mingliang Wu Yehui Zhang Zhanzhao Fu Zhiyang Lyu Qiang Li Jinlan Wang

Citation:  Mingliang Wu, Yehui Zhang, Zhanzhao Fu, Zhiyang Lyu, Qiang Li, Jinlan Wang. Structure-Activity Relationship of Atomic-Scale Cobalt-Based N-C Catalysts in the Oxygen Evolution Reaction[J]. Acta Physico-Chimica Sinica, 2023, 39(1): 2207007-0. doi: 10.3866/PKU.WHXB202207007 shu

原子尺度钴基氮碳催化剂对析氧反应的构效关系的研究

    通讯作者: 李强, qiang.li@seu.edu.cn
    王金兰, jlwang@seu.edu.cn
  • 基金项目:

    国家重点研发计划项目 2021YFA1500700

    国家自然科学基金项目 22033002

    国家自然科学基金项目 22173018

摘要: 理解析氧反应(OER)电催化剂活性位点的活性来源是开发高效电催化剂的关键。然而,由于催化剂结构-活性关系的复杂性,发展高效电催化剂仍然是一个至关重要的挑战。本文设计了不同Co-N-C催化剂构型,包括单原子、双原子和团簇,并通过第一性原理计算建立了析氧反应构效关系。结果表明,Co-N4由于金属中心的高配位数和与所有析氧反应中间体的适中吸附能,表现出最佳反应性,过电位为0.37 V。双原子和团簇的活性来源于催化剂自身与反应中间体相结合的高度配位结构。此外,本文基于Co-N4构型讨论了影响OER活性的其他因素,其中弱金属-金属相互作用可以通过调节Co-O的反键能级优化含氧中间体的吸附降低反应过电位。随后,根据建立的结构-吸附-活性关系,对火山图进行外推,得到CoNi-type4体系OER的过电位为0.23 V。本文研究揭示了Co-N-C催化剂OER活性的起源,建立了基于原子尺度的Co-N-C催化剂的构效关系,有助于理解M-N-C基催化剂的高性能,并促进高效OER催化剂的设计。

English

    1. [1]

      Li, Y.; Wang, H.; Priest, C.; Li, S.; Xu, P.; Wu, G. Adv. Mater. 2021, 33, e2000381. doi: 10.1002/adma.202000381

    2. [2]

      Seh, Z. W.; Kibsgaard, J.; Dickens, C. F.; Chorkendorff, I.; Norskov, J. K.; Jaramillo, T. F. Science 2017, 355, eaad4998. doi: 10.1126/science.aad4998

    3. [3]

      Ding, Y.; Cai, P.; Wen, Z. Chem. Soc. Rev. 2021, 50, 1495. doi: 10.1039/d0cs01239d

    4. [4]

      Yan, Z.; Hitt, J. L.; Turner, J. A.; Mallouk, T. E. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 2020, 117, 12558. doi: 10.1073/pnas.1821686116

    5. [5]

      Wang, J.; Cui, W.; Liu, Q.; Xing, Z.; Asiri, A. M.; Sun, X. Adv. Mater. 2016, 28, 215. doi: 10.1002/adma.201502696

    6. [6]

      Song, J.; Wei, C.; Huang, Z. -F.; Liu, C.; Zeng, L.; Wang, X.; Xu, Z. J. Chem. Soc. Rev. 2020, 49, 2196. doi: 10.1039/c9cs00607a

    7. [7]

      Xia, B. Y.; Yan, Y.; Li, N.; Wu, H. B.; Lou, X. W.; Wang, X. Nat. Energy 2016, 1, 15006. doi: 10.1038/nenergy.2015.6

    8. [8]

      Zhang, L.; Jia, Y.; Gao, G.; Yan, X.; Chen, N.; Chen, J.; Soo, M. T.; Wood, B.; Yang, D.; Du, A.; et al. Chem 2018, 4, 285. doi: 10.1016/j.chempr.2017.12.005

    9. [9]

      Zhao, C. X.; Liu, J. N.; Wang, J.; Ren, D.; Li, B. Q.; Zhang, Q. Chem. Soc. Rev. 2021, 50, 7745. doi: 10.1039/d1cs00135c

    10. [10]

      Zhang, W.; Cao, R. Chem 2021, 7, 1981. doi: 10.1016/j.chempr.2021.07.012

    11. [11]

      Zhang, J. -Y.; Yan, Y.; Mei, B.; Qi, R.; He, T.; Wang, Z.; Fang, W.; Zaman, S.; Su, Y.; Ding, S.; et al. Energy Environ. Sci. 2021, 14, 365. doi: 10.1039/d0ee03500a

    12. [12]

      Fei, H.; Dong, J.; Feng, Y.; Allen, C. S.; Wan, C.; Volosskiy, B.; Li, M.; Zhao, Z.; Wang, Y.; Sun, H.; et al. Nat. Catal. 2018, 1, 63. doi: 10.1038/s41929-017-0008-y

    13. [13]

      Liu, J.; Xiao, J.; Luo, B.; Tian, E.; Waterhouse, G. I. N. Chem. Eng. J. 2022, 427, 132038. doi: 10.1016/j.cej.2021.131686

    14. [14]

      Zhao, C. X.; Li, B. Q.; Liu, J. N.; Zhang, Q. Angew. Chem. Int. Ed. 2021, 60, 4448. doi: 10.1002/anie.202003917

    15. [15]

      Li, X.; Yang, X.; Liu, L.; Zhao, H.; Li, Y.; Zhu, H.; Chen, Y.; Guo, S.; Liu, Y.; Tan, Q.; Wu, G. ACS Catal. 2021, 11, 7450. doi: 10.1021/acscatal.0c05446

    16. [16]

      Wu, Y. -J.; Wu, X. -H.; Tu, T. -X.; Zhang, P. -F.; Li, J. -T.; Zhou, Y.; Huang, L.; Sun, S. -G. Appl. Catal. B Environ. 2020, 278, 119259. doi: 10.1016/j.apcatb.2020.119259

    17. [17]

      Ban, J. J.; Wen, X. H.; Xu, H. J.; Wang, Z.; Liu, X. H.; Cao, G. Q.; Shao, G. S.; Hu, J. H. Adv. Funct. Mater. 2021, 31, 2010472. doi: 10.1002/adfm.202010472

    18. [18]

      Huang, Q. E.; Wang, B.; Ye, S.; Liu, H.; Chi, H.; Liu, X.; Fan, H.; Li, M.; Ding, C.; Li, Z.; et al. ACS Catal. 2021, 12, 491. doi: 10.1021/acscatal.1c04644.

    19. [19]

      Li, X. Y.; Rong, H. P.; Zhang, J. T.; Wang, D. S.; Li, Y. D. Nano Res. 2020, 13, 1842. doi: 10.1007/s12274-020-2755-3

    20. [20]

      Liu, J. ACS Catal. 2016, 7, 34. doi: 10.1021/acscatal.6b01534

    21. [21]

      Zhang, Q.; Duan, Z.; Li, M.; Guan, J. Chem. Commun. 2020, 56, 794. doi: 10.1039/c9cc09007j

    22. [22]

      Xu, H.; Cheng, D.; Cao, D.; Zeng, X. C. Nat. Catal. 2018, 1, 339. doi: 10.1038/s41929-018-0063-z

    23. [23]

      Lu, J.; Zeng, Y.; Ma, X.; Wang, H.; Gao, L.; Zhong, H.; Meng, Q. Polymers 2019, 11, 828. doi: 10.3390/polym11050828

    24. [24]

      Wang, J.; Huang, Z.; Liu, W.; Chang, C.; Tang, H.; Li, Z.; Chen, W.; Jia, C.; Yao, T.; Wei, S.; et al. J. Am. Chem. Soc. 2017, 139, 17281. doi: 10.1021/jacs.7b10385

    25. [25]

      Zhang, L.; Fischer, J.; Jia, Y.; Yan, X.; Xu, W.; Wang, X.; Chen, J.; Yang, D.; Liu, H.; Zhuang, L.; et al. J. Am. Chem. Soc. 2018, 140, 10757. doi: 10.1021/jacs.8b04647

    26. [26]

      Zhou, Y.; Yang, W.; Utetiwabo, W.; Lian, Y. M.; Yin, X.; Zhou, L.; Yu, P.; Chen, R.; Sun, S. J. Phys. Chem. Lett. 2020, 11, 1404. doi: 10.1021/acs.jpclett.9b03771

    27. [27]

      Kresse, G.; Hafner, J. Phys. Rev. B 1993, 48, 13115. doi: 10.1103/PhysRevB.48.13115

    28. [28]

      Kresse, G.; Furthmüller, J. Phys. Rev. B 1996, 54, 11169. doi: 10.1103/PhysRevB.54.11169

    29. [29]

      Kresse, G.; Joubert, D. Phys. Rev. B 1999, 59, 1758-1775. doi: 10.1103/PhysRevB.59.1758

    30. [30]

      Perdew, J. P.; Burke, K.; Ernzerhof, M. Phys. Rev. Lett. 1996, 77, 3865. doi: 10.1103/PhysRevLett.77.3865

    31. [31]

      Grimme, S.; Antony, J.; Ehrlich, S.; Krieg, H. J. Chem. Phys. 2010, 132, 154104. doi: 10.1063/1.3382344

    32. [32]

      Grimme, S.; Ehrlich, S.; Goerigk, L. J. Comput. Chem. 2011, 32, 1456. doi: 10.1002/jcc.21759

    33. [33]

      Henkelman, G.; Arnaldsson, A.; Jónsson, H. Comput. Mater. Sci. 2006, 36, 354. doi: 10.1016/j.commatsci.2005.04.010

    34. [34]

      Sanville, E.; Kenny, S. D.; Smith, R.; Henkelman, G. J. Comput. Chem. 2007, 28, 899. doi: 10.1002/jcc.20575

    35. [35]

      Henkelman, G.; Uberuaga, B. P.; Jónsson, H. J. Chem. Phys. 2000, 113, 9901. doi: 10.1063/1.1329672

    36. [36]

      Maintz, S.; Deringer, V. L.; Tchougréeff, A. L.; Dronskowski, R. J. Comput. Chem. 2013, 34, 2557. doi: 10.1002/jcc.23424

    37. [37]

      Maintz, S.; Deringer, V. L.; Tchougréeff, A. L.; Dronskowski, R. J. Comput. Chem. 2016, 37, 1030. doi: 10.1002/jcc.24300

    38. [38]

      Hansen, H. A.; Viswanathan, V.; Nørskov, J. K. J. Phys. Chem. C 2014, 118, 6706. doi: 10.1021/jp4100608

    39. [39]

      Zhang, X.; Yang, Z.; Lu, Z.; Wang, W. Carbon 2018, 130, 112. doi: 10.1016/j.carbon.2017.12.121

    40. [40]

      Sun, X.; Sun, S.; Gu, S.; Liang, Z.; Zhang, J.; Yang, Y.; Deng, Z.; Wei, P.; Peng, J.; Xu, Y.; et al. Nano Energy 2019, 61, 245. doi: 10.1016/j.nanoen.2019.04.076

    41. [41]

      Zhao, J.; Zhang, J. -J.; Li, Z. -Y.; Bu, X. -H. Small 2020, 16, 2003916. doi: 10.1002/smll.202003916

    42. [42]

      Vinogradov, I.; Singh, S.; Lyle, H.; Paolino, M.; Mandal, A.; Rossmeisl, J.; Cuk, T. Nat. Mater. 2022, 21, 88. doi: 10.1038/s41563-021-01118-9

    43. [43]

      Tahir, M.; Pan, L.; Idrees, F.; Zhang, X.; Wang, L.; Zou, J. -J.; Wang, Z. L. Nano Energy 2017, 37, 136. doi: 10.1016/j.nanoen.2017.05.022

    44. [44]

      Betley, T. A.; Wu, Q.; Van Voorhis, T.; Nocera, D. G. Inorg. Chem. 2008, 47, 1849. doi: 10.1021/ic701972n

    45. [45]

      He, Y. H.; Guo, H.; Hwang, S.; Yang, X. X.; He, Z. Z.; Braaten, J.; Karakalos, S.; Shan, W. T.; Wang, M. Y.; Zhou, H.; et al. Adv. Mater. 2020, 32, 2003577. doi: 10.1002/adma.202003577

    46. [46]

      Zhang, N.; Zhou, T.; Ge, J.; Lin, Y.; Du, Z.; Zhong, C. A.; Wang, W.; Jiao, Q.; Yuan, R.; Tian, Y.; et al. Matter 2020, 3, 509. doi: 10.1016/j.matt.2020.06.026

    47. [47]

      Bajdich, M.; Garcia-Mota, M.; Vojvodic, A.; Norskov, J. K.; Bell, A. T. J. Am. Chem. Soc. 2013, 135, 13521. doi: 10.1021/ja405997s

    48. [48]

      Qiu, Z.; Tai, C. W.; Niklasson, G. A.; Edvinsson, T. Energy Environ. Sci. 2019, 12, 572. doi: 10.1039/c8ee03282c

    49. [49]

      Mefford, J. T.; Akbashev, A. R.; Kang, M.; Bentley, C. L.; Gent, W. E.; Deng, H. D.; Alsem, D. H.; Yu, Y. S.; Salmon, N. J.; Shapiro, D. A.; et al. Nature 2021, 593, 67. doi: 10.1038/s41586-021-03454-x

    50. [50]

      Suntivich, J.; May, K. J.; Gasteiger, H. A.; Goodenough, J. B.; Shao-Horn, Y. Science 2011, 334, 1383. doi: 10.1126/science.1212858

    51. [51]

      Li, Q. K.; Li, X. F.; Zhang, G.; Jiang, J. J. J. Am. Chem. Soc. 2018, 140, 15149. doi: 10.1021/jacs.8b07816

    52. [52]

      Jin, Z.; Li, P.; Meng, Y.; Fang, Z.; Xiao, D.; Yu, G. Nat. Catal. 2021, 4, 615. doi: 10.1038/s41929-021-00650-w

    53. [53]

      Li, Z.; Wang, Z.; Xi, S.; Zhao, X.; Sun, T.; Li, J.; Yu, W.; Xu, H.; Herng, T. S.; Hai, X.; et al. ACS Nano 2021, 15, 7105. doi: 10.1021/acsnano.1c00251

    54. [54]

      Exner, K. S. Chem Catal. 2021, 1, 258. doi: 10.1016/j.checat.2021.06.011

    55. [55]

      Govindarajan, N.; Koper, M. T. M.; Meijer, E. J.; Calle-Vallejo, F. ACS Catal. 2019, 9, 4218. doi: 10.1021/acscatal.9b00532

  • 加载中
计量
  • PDF下载量:  0
  • 文章访问数:  60
  • HTML全文浏览量:  2
文章相关
  • 发布日期:  2023-01-15
  • 收稿日期:  2022-07-05
  • 接受日期:  2022-07-31
  • 修回日期:  2022-07-31
  • 网络出版日期:  2022-08-09
通讯作者: 陈斌, bchen63@163.com
  • 1. 

    沈阳化工大学材料科学与工程学院 沈阳 110142

  1. 本站搜索
  2. 百度学术搜索
  3. 万方数据库搜索
  4. CNKI搜索

/

返回文章